开普勒的老师 王老师讲物理学史:天上的立法者——开普勒
约翰·开普勒(Johanns Kepler,1571—1630),德国近代著名的天文学家、数学家、物理学家和哲学家。他以数学的和谐性探索宇宙,在天文学方面做出了巨大的贡献。开普勒是继哥白尼之后第一个站出来捍卫太阳中心说并在天文学方面有突破性成就的人物,被后世的科学史家称为“天上的立法者”。
1571年12月27日,开普勒出生在德国威尔的一个贫民家庭。他的祖父曾是当地颇有名望的贵族。但当开普勒出生时,家道已经衰落,全家人就靠经营一家小酒店生活。开普勒是一个早产儿,体质很差。他在童年时代遭遇了很大的不幸,4岁时患上了天花和猩红热,虽侥幸死里逃生,身体却受到了严重的摧残,视力衰弱,一只手半残。
但开普勒身上有一种顽强的进取精神。他放学后要帮助父母料理酒店,但一直坚持努力学习,成绩一直名列前茅。
1587年,开普勒进入蒂宾根大学。这时候,新的不幸又降临到他身上了,父亲病故,母亲被指控有巫术罪而入狱。生活不幸并未使他中止学业,他反而加倍努力学习。在大学学习期间,他受到秘密宣传哥白尼学说的天文学教授麦斯特林的影响,成为哥白尼学说的拥护者,同时对神学的信仰发生了动摇。
开普勒经常在大学里和同学辩论,旗帜鲜明地支持哥白尼的立场。大学毕业后,开普勒获得了天文学硕士的学位,被聘请到格拉茨新教神学院担任教师。
后来,由于学校被天主教会控制,开普勒离开神学院前往布拉格,与卓越的天文观察家第谷一起专心地从事天文观测工作。正是第谷发现了开普勒的才能。在第谷的帮助和指导下,开普勒的学业有了巨大的进步。第谷死后,开普勒接替了他的职位,被聘为皇帝的数学家。
然而皇帝对他十分悭吝,给他的薪俸仅仅是第谷的一半,还时常拖欠不给。他的这一点点收入不足以养活年迈的母亲和妻儿,因此生活非常困苦。但开普勒却从未中断过自己的科学研究,并且在这种艰苦的环境下取得了天文学上的累累成果。
1611年,皇帝鲁道夫二世被其弟逼宫退位,开普勒也从此结束了御用数学家的生涯。1612年,开普勒被聘到奥地利林茨的一所大学任教兼作绘制地图的工作。由于校方拖欠薪金,开普勒一家生活拮据。1913年,开普勒的妻子病故,他又与一个贫家女子成婚,生活依然处在艰难困苦中。
1618年,三十年战争爆发,开普勒被迫离开林茨,前往意大利波伦那大学任教。即使在这样颠沛流离的环境下,开普勒依然以不舍的精神和紧张的劳动去攻克天文学上的难关。
晚年的开普勒坚持不懈地同唯心主义的宇宙论作斗争。1625年,他写了题为《为第谷·布拉赫申辩》的著作,驳诉了乌尔苏斯对第谷的攻击,因而受到了天主教会的迫害。天主教会将开普勒的著作列为禁书。1626年,一群天主教徒包围了开普勒的住所,扬言要处决他。后来,开普勒因为曾担任皇帝的数学家而幸免于难。
1630年11月,因数月未得到薪金,生活难以维持,年迈的开普勒不得不亲自到雷根斯堡索取薪金。不幸的是,他刚刚到那里就抱病不起。1630年11月15日,开普勒在一家客栈里悄悄地离开了世界。他死时,除一些书籍和手稿之外,身上仅剩下了7分尼(1马克等于100分尼)。
开普勒被葬于拉提斯本圣彼得堡教堂,战争过后,他的坟墓已荡然无存。但他突破性的天文学理论,以及他不懈探索宇宙的精神却成为了后人铭记他的最好的丰碑。
早期的开普勒深受柏拉图和毕达哥拉斯神秘主义宇宙结构论的影响,以数学的和谐性去探索宇宙。他用古希腊人已经发现的五个正多面体,跟当时已知的六颗行星的轨道套迭,从而解释了太阳系中包括地球在内恰好有六颗行星以及它们的轨道大小的原因。他把这些结论整理成书发表,定名为《宇宙的秘密》。这个设想虽带有神秘主义色彩,但却也是一个大胆的探索。
开普勒在天文学研究方面的天赋,是被第谷独具慧眼地发现的,第谷是当时最卓越的天文观察家,他测量了无数恒星的位置和行星的运动。发现了许多新的现象,如黄赤交角的变化、月球运行的二均差,以及岁差的测定等。第谷最大的天文学成就就是发现了开普勒。第谷在临终前将自己多年积累的天文观测资料全部交给了开普勒,再三叮嘱开普勒要继续他的工作,并将观察结果出版出来。开普勒接过了第谷尚未完成的研究工作。
后来,开普勒在伽利略的影响下,通过对行星运动进行深入的研究,抛弃了柏拉图和毕达哥拉斯的学说,逐步走上真理和科学的轨道。
对火星轨道的研究是开普勒重新研究天体运动的起点。因为在第谷遗留下来的数据资料中,火星的资料是最丰富的,而哥白尼的理论在火星轨道上的偏离最大。开始,开普勒用正圆编制火星的运行表,发现火星老是出轨。他便将正圆改为偏心圆。
在进行了无数次的试验后,他找到了与事实较为符合的方案。可是,依照这个方法来预测卫星的位置,却跟第谷的数据不符,产生了8分的误差。这8分的误差相当于秒针0.02秒瞬间转过的角度。开普勒知道第谷的实验数据是可信的,那错误出在什么地方呢?
正是这个不容忽略的8分使开普勒走上了天文学改革的道路。他敏感地意识到火星的轨道并不是一个圆周。随后,在进行了多次实验后,开普勒将火星轨道确定为椭圆,并用三角定点法测出地球的轨道也是椭圆,断定它运动的线速度跟它与太阳的距离有关。
1609年,开普勒出版了《新天文学》一书,提出了著名的开普勒第一和第二定律。开普勒第三定律则是在1619年出版的《宇宙谐和论》中提出的。
开普勒第一定律是:所有行星绕太阳运转的轨道是椭圆的,其大小不一,太阳位于这些椭圆的一个焦点上。
开普勒第二定律这样断定:向量半径(行星与太阳的连线)在相等的时间里扫过的面积相等。由此得出了以下的结论:行星绕太阳运动是不等速的,离太阳近时速度快,离太阳远时速度慢。这一定律进一步推翻了唯心主义的宇宙和谐理论,指出了自然界的真正的客观属性。
开普勒第三定律:行星公转周期的平方与行星和太阳的平均距离的立方成正比。这一定律将太阳系变成了一个统一的物理体系。
哥白尼学说认为天体绕太阳运转的轨道是圆形的,且是匀速运动的。开普勒第一和第二定律恰好纠正了哥白尼的上述观点的错误,对哥白尼的日心说做出了巨大的发展,使“日心说”更接近于真理,更彻底地否定了统治千百年来的托勒密地心说。开普勒还指出,行星与太阳之间存在着相互的作用力,其作用力的大小与二者之间的距离长短成反比。
开普勒不仅为哥白尼日心说找到了数量关系,更找到了物理上的依存关系,使天文学假说更符合自然界本身的真实。开普勒在完成三大定律时曾说道:“这正是我十六年前就强烈希望探求的东西。我就是为了这个目的同第谷合作的……现在大势已定!书已经写成,是现在被人读还是后代有人读,于我却无所谓了。也许这本书要等上一百年,要知道,大自然也等了观察者六千年呢!”
开普勒三定律是天文学的又一次革命,它彻底摧毁了托勒密繁杂的本轮宇宙体系,完善和简化了哥白尼的日心宇宙体系。开普勒对天文学最大的贡献在于他试图建立天体动力学,从物理基础上解释太阳系结构的动力学原因。虽然他提出有关太阳发出的磁力驱使行星做轨道运动的观点是错误的,但它对后人寻找出太阳系结构的奥秘具有重大的启发意义,为经典力学的建立、牛顿的万有引力定律的发现,都作出重要的提示。
不仅在天文学上,开普勒在光学领域的贡献也是非常卓越的。他是近代光学的奠基者。他研究了小孔成像,并从几何光学的角度加以解释说明。他指出光的强度和光源的距离的平方成反比。开普勒研究过光的折射问题,认为折射的大小不能单单从物质密度的大小来考虑。
例如油的密度比水的密度小,而它的折射却比水的折射大。1611年,开普勒发表了《折光学》一书,阐述了光的折射原理,为折射望远镜的发明奠定了基础。开普勒还对人的视觉进行了研究,纠正了以前人们所认为的视觉是由于眼睛发射出光的错误观点。
他认为人看见物体是因为物体所发出的光通过眼睛的晶状体投射在视网膜上,并且解释了产生近视眼和远视眼的原因。他将伽利略望远镜中的凹透镜目镜改为小凸透镜,后人称它为开普勒望远镜。笛卡儿曾说:“开普勒是我主要的光学老师,胜过所有其他人。”
开普勒所处的年代正值欧洲从封建主义社会向资本主义社会转变的时期。在科学与神权的斗争中,开普勒坚定地站在了科学的一边,用自己孱弱的身体、艰苦的劳动和伟大的发现来挑战封建传统观念,推动了唯物主义世界观的发展,使人类科学向前跨进了一大步。马克思高度评价了开普勒的品格,称他是自己所喜爱的英雄。
